三圈环流，气压带和风带——讲讲大气环流的成因和特点

在太阳光能量地球表面和大气的作用下，地球上不同地区产生了大气温差和压力差，加上地球自转的影响，覆盖着地球的大气会发生循环运动。

全球性的有规律的、按照一定的方向运动的大气运动，通常被称为大气环流。大气环流把水汽和热量从一个地方输送到另一个地方，从而使得水汽和热量在高纬度和低纬度，海洋和陆地之间得到交换。

大气沿着一定的方向运动并循环进行，产生全年都是吹向同一方向的盛行风或恒常风。

地球

像这样的大气循环，使得低纬度地区和高纬度地区的热交换得以实现，使得低纬度地区不会变得太热，高纬度地区不会变得太冷。

大气环流分为低纬环流、中纬环流，高纬环流。

地球上的环流、气压带和风带

需要注意的是，在本文讲述大气环流、三圈环流、气压带和风带时，我们假设地球表面和地球大气是理想的、均匀的、同质的，不理会现实世界的海陆分布、山川湖泊、人类影响。我们所讲的低纬是指0°到30°，中纬是30°到60°，高纬度是60°到90°。

低纬环流（0°到30°）

接受太阳光能量最多的地方是在赤道地区，赤道附近地表的空气比周围地方的温度更高，空气受热膨胀，产生了上升气流。

从赤道附近地表上升的大气气流到达高空并聚集，形成了高空上的一个高压区域，从这个高压区域出发，气流向南北两方移动并逐渐冷却。在动力衰减、地球引力的影响下，空中的气流在纬度30°的附近向地表下沉。在纬度30°附近下沉到地表的气流，积聚成高压带，从高压带出发，气流向赤道方向移动。

这就是低纬度的大气环流，即低纬环流。

低纬环流的特点是：在空中，大气是从赤道向纬度30°的方向流动；在地表，大气从纬度30°从赤道的方向流动。

低纬环流示意图

赤道附近上升的气流，形成了低气压，这个低气压带就是赤道低压带。气流上升时，把海上的水蒸气带上空中，形成了云，成云致雨，所以赤道附近降水量较多。

赤道附近的热带雨林

由于太阳直射点的位置随着季节变化而在南回归线和北回归线之间反复移动，赤道低气压带的位置也随着季节变化而发生改变。夏季时，太阳直射点在北半球，赤道低气压带向北半球一侧偏移。冬季时，太阳直射点在南半球，赤道低气压带向南半球一侧偏移。

在纬度30°附近，发生的是下沉气流，空中的水蒸气下降到地表，无法成云致雨。因此，纬度30°附近形成了高压带，降水量少，这个高压带是副热带高压带。副热带高压带和赤道低气压带一样，会随着季节变化而发生移动，夏季向北移动，冬季向南移动。

由于副热带高压带和赤道低气压带的随着季节南北移动，距离赤道较近的低纬度地区受到两种气压带的轮流控制，出现旱季和雨季两个季节。在副热带高压带影响下，进入降水较少的旱季；在赤道低气压带影响下，进入降水较多的雨季。

雨季的热带稀树草原

旱季的热带稀树草原

高纬环流

北极和南极周边地区是地球上接收太阳光能量最少的地区，所以气温较低，发生下沉气流，极地地区地表形成了极地高压带。由于极地地区出现下降气流，加上气温低，饱和水蒸气数量少，北极和南极周边形成干燥地带。

在北极和南极的极地地表积聚的下沉气流形成极地高压带，气流在地表向低纬度地区移动。

来自极地高压带和副热带高压带的气流，在纬度60°附近的地表汇集，形成了上升气流。上升的气流汇集在纬度60°附近的上空，在天空上向极地地区流动。这就是高纬度地区的高纬环流。

高纬环流的特点是：在天空上，气流从纬度60°附近向极地流动；在地表上，气流从极地向纬度60°附近流动。

高纬环流示意图

另一方面，纬度60°附近由于发生上升气流，形成低气压，出现成云致雨，降水量增加。在纬度60°附近的低气压带就是副极地低气压带。

南极大陆

中纬度环流

在纬度30°附近到60°附近之间发生的大气循环是中纬度循环，是由低纬度环流和极地环流引发的大气流动。

由低纬环流引起、在纬度30°附近发生下降气流，形成了副热带高气压带，气流从纬度30°附近的副热带高气压带向高纬度地区流动。

这些地表上移动、来自纬度30附近的气流与来自极地地区、在地表移动的极地环流气流，在纬度60°附近相遇碰撞，形成上升气流。

纬度60附近的形成低气压带，气流上升并在高空积聚，然后气流向低纬度地区流动。这些在天空移动、来自纬度60°附近的气流与来自赤道地区、在天空移动的低纬度环流的气流，在纬度30°附近相遇膨胀，形成下沉气流。

中纬环流的特点是：从纬度30°附近向纬度60°的流动，发生在地表上；从纬度60°附近向纬度30°的流动，发生在天空上。

中纬环流示意图

中纬环流是在低纬环流和极地环流共同作用下形成的环流。低纬环流和极地环流都是因为太阳光照射造成温度差异，而形成气流的运动，属于热力原因；中纬环流是由于低纬环流和极地环流产生的气压带之间的气压差而引发，属于动力原因。

三圈环流剖面图

全球三圈环流、风带示意图

气压带形成原因

在前面讲述的低纬环流、高纬环流和中纬环流时，出现了赤道低气压带、副热带高气压带、副极地低气压带、极地高气压带的名词。

赤道低气压带出现的原因是赤道附近受到太阳光能最多，气流上升，形成低气压带，成因是热力原因；

极地高气压带出现的原因是极地气度受到太阳光能最少，气流下沉，形成高气压带，成因是热力原因；

副热带高气压带出现的原因是在天空上、向纬度30°附近流动的、低纬环流的气流在积聚，然后下沉，形成高气压带，成因是动力原因；

副极地低气压带出现的原因是，来自于纬度30°附近副热带高气压带、在地面流动的气流，与来自纬度90°附近极地高压带、在地面流动的气流，双方在纬度60°附近相遇碰撞，气流发生上升，形成低气压带，成因是动力原因。

副热带高气压带是撒哈拉沙漠的成因之一

风带形成原因

由于出现了高气压带和低气压带，气流和水流一样，都是从高压的区域向低压的区域流动。副热带高气压带和极地高气压带就成了气流的源地。

1.

位于纬度30°附近的副热带高气压带作为气流源地，兵分两路，一路向低纬的赤道方向出发，另一路向纬度30°以上的方向出发。

第一路：气流从纬度30°附近的副热带高气压带出发，向赤道地区流动的气流形成了低纬度盛行风。由于地球在不断自转而产生了地球偏转力，受到地球偏转力的影响，在北半球，原本从纬度30°向赤道流动的盛行风出现向右偏移，因此，低纬度盛行风的风向是东北向西南吹拂，这就是东北信风。东北信风所在的地区就是东北信风带。

受到地球偏转力的影响，在南半球，原本从纬度30°向赤道流动的盛行风出现向左偏移，因此，低纬度盛行风的风向是东南向西北吹拂，这就是东南信风。东南信风所在的地区就是东南信风带。

加勒比海向风群岛的风是东北信风

第二路：气流从纬度30°附近的副热带高气压带出发，向纬度30°以上的方向流动的气流形成了中纬度盛行风，同样是受到地球在不断自转而产生了地球偏转力的影响。受到地球偏转力的影响，在北半球，原本从纬度30°附近向北边的高纬度地区吹拂的盛行风出现向右偏移，因此，中纬度盛行风的风向是从西南向东北吹拂。

受到地球偏转力的影响，在南半球，原本从纬度30°附近向南边的高纬度地区吹拂的盛行风出现向左偏移，因此，中纬度盛行风的风向是从西北向东南吹拂。

北半球和南半球的中纬度盛行风所在的地区合称为西风带、盛行西风带。西风带和盛行西风带是专有名词和习惯名词，并非是“绝对的西面”吹来的风。实际上，北半球的西风带主要吹西南风，南半球则主要吹西北风。

英国，盛行西风影响下的温带海洋性气候

2.

讲完副热带高气压带这个气流源地后，轮到另一个气流源地——极地高气压带。极地高气压带由于纬度已经到了最高的极地地区，这里的下沉气流只有一个方向进军了，那就是向低纬度地区，形成了高纬度盛行风。

同样是受到地球在不断自转而产生的地球偏转力的影响，在北半球，原本从极地附近向南边吹拂的盛行风出现向右偏移，因此，高纬度盛行风的风向是从东北向西南方向吹拂。

另一方面，同样是受到地球在不断自转而产生的地球偏转力的影响，在南半球，原本从极地附近向北边吹拂的盛行风出现向左偏移，因此，高纬度盛行风的风向是从东南向西北方向吹拂。

北半球和南半球的高纬度盛行风所在的地区合称为极地东风带。极地东风带同样是专有名词和习惯名词，并非是“绝对的东面”吹来的风。实际上，北半球的极地东风带主要吹东北风，南半球则主要吹东南风。

三圈环流、气压带、风带

三圈环流的另外名称

在人类科学研究的过程中，有一些杰出科学家在某些领域做出了卓越的贡献，为了纪念和表彰这些科学家，科学界会以科学家的名字来命名某项成就。

低纬环流、中纬环流和高纬环流是按照环流所在的纬度范围来命名，它们还有另外的称呼。

低纬环流又有哈德里环流的称呼。1735年，英国人乔治·哈德里（George Hadley）针对盛行西风与信风的形成原因提出了大气环流的假设模型。哈德雷的理论是：在赤道附近的空气因为长时间被太阳照射，受热后因其密度变低而上升，并往两极移动，之后气流随着纬度变高而逐渐冷却，密度增高后下降到地表附近，然后又移动回赤道，形成一个环流圈。

哈德里的理论很简单，在他看来地球南北各只有一个大气环流。随着科学的发展，我们知道了赤道上升的气流确实向南北极移动，但在纬度30°附近下沉，形成副热带高气压带，然后以东北和东南信风的方式吹回赤道。

虽然哈德里的理论很简单，但整个低纬环流的成因和过程大致和哈德里的理论相符，因此后世科学界把低纬环流也称作哈德里环流，英文是the Hadley cell, 或the Hadley circulation。

哈德里的理论模型

中纬环流又称为费雷尔环流。1859年，美国气象学家费雷尔提出，在南北半球的中高纬地区出现沿着经线方向移动的环流圈。在这个环流圈内，气流在近地面向着极地方向移动，而在对流层顶上（天空上）向着赤道方向流动。

费雷尔的描述与现代研究成果一致，因为后世科学界把中纬环流也称作费雷尔环流，英文是the Ferrel cell，或the Ferrel circulation。

由于高纬环流发生在纬度60°到90°之间，位于极地地区，因此也被称为极地环流。

全球三圈环流、气压带、风带